還原那些被“誤解”的生物學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)

蔣沂蒙　王永田

摘要 就人教版教材中魯賓和卡門的光合作用實(shí)驗(yàn)、摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)和艾弗里肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中常遇到的“誤解”進(jìn)行辨析。

關(guān)鍵詞 高中生物 經(jīng)典實(shí)驗(yàn) 教材

中圖分類號(hào) Q-49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 E

經(jīng)典實(shí)驗(yàn)不僅提供了科學(xué)史實(shí)，還為學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)和價(jià)值觀的培養(yǎng)提供了生動(dòng)的教育資源。充分挖掘經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值是高中生物教學(xué)的重要內(nèi)容。科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)過(guò)程總是復(fù)雜而漫長(zhǎng)的，但由于受編寫篇幅、側(cè)重點(diǎn)等原因的限制，教材對(duì)科學(xué)史過(guò)程沒(méi)法詳細(xì)表述，容易使教師和學(xué)生因?yàn)樾畔⒉蛔愣a(chǎn)生疑問(wèn)或誤解。下面就幾個(gè)常見(jiàn)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的“疑問(wèn)”進(jìn)行辨析。

1魯賓和卡門的光合作用實(shí)驗(yàn)

1.1“誤解”的產(chǎn)生

人教版高中生物《必修1.分子與細(xì)胞》第102頁(yè)在介紹魯賓和卡門的光合作用實(shí)驗(yàn)時(shí)提到：“他們用氧的同位素180分別標(biāo)記H₂O和CO₂，使它們分別成為H₂¹⁸O和C¹⁸O₂”，然后分別向兩組同種植物提供CO、H₂¹⁸O，和C¹⁸O₂、H₂O“在其他條件都相同的條件下，他們分析了兩組實(shí)驗(yàn)釋放的氧氣”，得出了結(jié)論。在此，教材并沒(méi)有具體講明“他們?nèi)绾畏治鲅鯕狻薄ｋS后，教材介紹了“同位素標(biāo)記法”：“同位素標(biāo)記法：同位素可用于追蹤物質(zhì)的運(yùn)行和變化規(guī)律。用同位素標(biāo)記的化合物，化學(xué)性質(zhì)不會(huì)變化。科學(xué)家通過(guò)追蹤同位素標(biāo)記的化合物，可以弄清化學(xué)反應(yīng)的詳細(xì)過(guò)程。這種方法叫做同位素標(biāo)記法。”緊接著，是對(duì)卡爾文循環(huán)實(shí)驗(yàn)的敘述：“用¹⁴C標(biāo)記¹⁴CO₂，供小球藻進(jìn)行光合作用，然后追蹤檢測(cè)其放射性。”這樣，學(xué)生很容易將180、“C與“放射性同位素”的日常經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，于是就造成誤解：is0是氧的同位素，所以也有放射性。甚至一些老師也有此誤解，編制的一些題目中會(huì)出現(xiàn)“檢測(cè)¹⁸O放射性”的錯(cuò)誤。

1.2“誤解”的辨析

同位素有放射性同位素和穩(wěn)定性同位素，¹⁸O、¹³C、¹⁵N等許多同位素都不具有放射性。放射性同位素可以被核探測(cè)器檢測(cè)到特征射線，從而被追蹤到位置、數(shù)量及其轉(zhuǎn)變等。穩(wěn)定性同位素雖然不釋放射線，但可以利用它與普通相應(yīng)同位素的質(zhì)量之差，通過(guò)質(zhì)譜儀、氣相層析儀、核磁共振等質(zhì)量分析儀器也可以測(cè)定。所以，穩(wěn)定性同位素也可作為示蹤劑。

魯賓和卡門實(shí)驗(yàn)的確使用了同位素標(biāo)記法，但是他們只是制備了含有少量同位素¹⁸O的水和碳酸氫鹽，其中碳酸氫鹽分解能產(chǎn)生二氧化碳。在適宜光照下，他們給3組小球藻提供含有不同比率180的水和碳酸氫鹽，一段時(shí)間后檢測(cè)光合產(chǎn)物氧氣中含¹⁸O的比率（具體過(guò)程和結(jié)果見(jiàn)表1），發(fā)現(xiàn)氧氣中含¹⁸O的比率與水中¹⁸O比率一致，與碳酸氫鹽（即二氧化碳）中¹⁸O比率不一致，從而得出“光合作用產(chǎn)生的氧來(lái)源于水”的結(jié)論。由此可見(jiàn)，魯賓和卡門并不是通過(guò)光合作用產(chǎn)生的氧氣是¹⁶O還是¹⁸O來(lái)判斷來(lái)源，而是利用氧氣中¹⁸O含量和水一致還是和碳酸氫鹽一致得出的結(jié)論。

2摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)

2.1“誤解”的產(chǎn)生

人教版高中生物《必修2·遺傳與進(jìn)化》第29頁(yè)中提到：摩爾根用偶然出現(xiàn)的白眼雄果蠅和野生紅眼雌果蠅做雜交實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)“就果蠅紅眼與白眼這一對(duì)相對(duì)性狀來(lái)看，F(xiàn)₁全是紅眼，F(xiàn)₂紅眼和白眼之間的數(shù)量比是3：1。這樣的遺傳表現(xiàn)符合分離定律，表明果蠅的紅眼和白眼是受一對(duì)等位基因控制的。所不同的是白眼性狀的表現(xiàn)，總是與性別相聯(lián)系。”……他們猜測(cè)“控制白眼的基因在X染色體上，而Y染色體上不含有它的等位基因”“后來(lái)他們又通過(guò)測(cè)交等方法，進(jìn)一步驗(yàn)證了這種解釋”。這段描述讓很多教師將測(cè)交實(shí)驗(yàn)作為證明白眼和紅眼基因僅在X染色體上的依據(jù)。然而由于實(shí)驗(yàn)選用了白眼雄果蠅，白眼和紅眼基因在x染色體的同源區(qū)段上，此實(shí)驗(yàn)雜交和測(cè)交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與“白眼和紅眼基因僅在X染色體上”是一樣的。

2.2“誤解”的辨析

事實(shí)是，摩爾根為了證明“白眼基因僅在x染色體上”假設(shè)，又設(shè)計(jì)了三個(gè)新實(shí)驗(yàn)。

①根據(jù)假設(shè)，子二代雌蠅雖然都是紅眼，但基因型有兩種，半數(shù)是X^BX^B，半數(shù)是X^BX^b，所以它與白眼雄蠅交配時(shí)，半數(shù)產(chǎn)生的子代全部是紅眼，半數(shù)則產(chǎn)生的子代是1/4紅眼雌蠅，1/4白眼雌蠅、1/4紅眼雄蠅和1/4白眼雄蠅。

②根據(jù)假設(shè)，白眼雌蠅與野生紅眼雄蠅交配時(shí)，子代中雌蠅都是紅眼，雄蠅都是白眼。

③根據(jù)假設(shè)，白眼雌蠅和白眼雄蠅交配時(shí)，子代不管雌雄都是白眼，而且以后也能真實(shí)遺傳，成為穩(wěn)定的品系。

其中，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)最為關(guān)鍵，可以排除基因在同源區(qū)段的假設(shè)。這樣摩爾根才把紅眼和白眼基因定在X染色體上。

3艾弗里肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

3.1“誤解”的產(chǎn)生

人教版高中生物《必修2·遺傳與進(jìn)化》第43頁(yè)，對(duì)艾弗里轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的描述中提到：“艾弗里和其同事對(duì)S型細(xì)菌中物質(zhì)進(jìn)行了提純和鑒定。他們將提取的DNA、蛋白質(zhì)和多糖等物質(zhì)分別加入培養(yǎng)了R型細(xì)菌的培養(yǎng)基中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：加入DNA，R型細(xì)菌才能夠轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌，并且DNA的純度越高，轉(zhuǎn)化就越有效；如果用DNA酶分解從S型活細(xì)菌中提取的DNA，就不能使R型細(xì)菌發(fā)生轉(zhuǎn)化。”這會(huì)使學(xué)生認(rèn)為，艾弗里體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)主要是將不同物質(zhì)提純，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)來(lái)確定轉(zhuǎn)化因子。

3.2“誤解”的辨析

1944年，艾弗里等人發(fā)表的論文中提到的實(shí)驗(yàn)思路是：從S型活細(xì)菌粗提取液中分離、純化有活性的轉(zhuǎn)化因子，并鑒定轉(zhuǎn)化因子的性質(zhì)或者歸入已知道的化學(xué)物質(zhì)類型；然后用化學(xué)或酶方法去除有轉(zhuǎn)化能力提取液的某種成分，再檢測(cè)去除該提取液是否仍具有轉(zhuǎn)化能力。如果去除某成分后的提取液能起到轉(zhuǎn)化作用，則去除成分不是轉(zhuǎn)化因子；反之，去除成分則是轉(zhuǎn)化因子。

通過(guò)這種方法，艾弗里等人在1943年，從S型菌中分離出具有活性的“轉(zhuǎn)化因子”，并鑒定出該物質(zhì)為“一種高聚合的、黏性的脫氧核糖核酸的鈉鹽”。1946年，他們發(fā)現(xiàn)此“轉(zhuǎn)化因子”用DNA酶處理后不再具有轉(zhuǎn)化活性，從而確認(rèn)“轉(zhuǎn)化因子”為DNA。由此可見(jiàn)，艾弗里體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的主要思路不是“將各種物質(zhì)提純，分別檢測(cè)其作用”，而是“通過(guò)檢測(cè)和分解S型細(xì)菌提取液的不同物質(zhì)，檢測(cè)能否轉(zhuǎn)化R型細(xì)菌”。其實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)。

教材對(duì)科學(xué)史簡(jiǎn)潔的表述，可能會(huì)給使用者留下一些疑問(wèn)。作為教材的使用者，教師應(yīng)該有對(duì)疑問(wèn)鍥而不舍的探究精神，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程追根溯源，從而更全面準(zhǔn)確地理解科學(xué)的發(fā)展。